CN103957656A

CN103957656A - 一种生产同步辐射光的方法

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Publication number: CN103957656A
Application number: CN201410194479.7A
Authority: CN
Inventors: 黄家荣
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2014-07-30
Also published as: CN104797074A

Abstract

本发明公开了一种生产同步辐射光的方法，属于同步辐射光源领域。该方法包括电子产生、电子加速、电子注入及电子存储环中偏转等步骤，克服了现有技术中关于“只有能量很高、飞行速度接近光速的‘相对论性’电子在电磁场中发生偏转才能产生同步辐射”的技术偏见，采用低能量电子输入法，使存储环中的电子在低能状态下偏转，从而实现产生高辐射功率、高亮度的同步辐射光，达到简化设备、降低能耗以及设备生产、运行成本的目的，具有很高的经济效益和社会效益。

Description

一种生产同步辐射光的方法

技术领域

本发明属于同步辐射光源领域，具体涉及一种生产同步辐射光的方法。

背景技术

同步辐射光，是一种利用“相对论性”带电粒子在磁场中偏转时产生同步辐射的高性能新型人工光源，它具有高稳定性、高通量、高纯净、高亮度及宽波段、微束径、窄脉冲、可精确预知等独特而优异的性能，在基础科学研究和高技术产业开发应用研究等有着广泛地用途。一直以来，大家认为要产生同步辐射光需要具备三个条件：（1）有带电粒子，通常是电子；（2）带电粒子是“相对论性”的，就是说它的能量很高，飞行速度接近光速；（3）存在能使带电粒子发生轨道偏转的电磁场。

能够产生和利用同步辐射光的物理装置，称作同步辐射光源或同步辐射装置，30多年来，同步辐射光源已经历了三代的发展，它的主体是一台电子储存环，其它还包括电子产生器、电子加速器、电子注入器等装置。电子存储环是一个闭合、环形、能够产生使带电粒子沿环形轨道偏转的电磁场的高科技装置，用来储存经电子加速器加速得到的高能电子束，高能电子束在电子存储环中沿着环形轨道作高速远动，从而会沿着偏转轨道切线方向发射出连续谱的同步辐射光，引出的同步辐射光经需求加工（如分光、准直、聚焦等）后便可输送至用户进行研究或利用。如我国上海同步辐射光源由全能量注入器、电子储存环、光束线和实验站组成，其中全能量注入器的作用是向电子储存环提供电子束并使其加速到所需能量，包括电子直线加速器、增强器和注入/引出系统；该同步辐射光源运作时，通过电子枪产生的电子束（电子能量为0.1MeV）先被约40米长的电子直线加速器加速到0.15GeV（1GeV=1000MeV），然后被注入到周长约180米的增强器中，由增强器继续加速到3.5GeV，再经过注入/引出系统注入到电子储存环，电子储存环储存电子束并提供同步辐射光，光束线则对引出的同步辐射光进行传输、加工，接着提供给实验站上的用户使用。

为使带电粒子具有“相对论性”，现有的同步辐射光源通常会将电子束加速到很高的电子能量。刘祖平在其发表的《同步辐射光源物理引论》（P250-252）中提到，我国的北京同步辐射光源，电子束的能量为2.5GeV；上海同步辐射光源达到3.5GeV；美国的APS同步辐射光源甚至高达7.0GeV。要达到且运行如此高的电子束能量，使得现有同步辐射光源存在有以下问题：（1）能耗大，运行费用高；例如，美国的APS同步辐射光源，运行费用高达9000万美元/年；而我国合肥同步辐射光源，虽然电子束的能量为800MeV，运行费也高达1200万元人民币/年，北京和上海的同步辐射光源更是远高于此；（2）设备庞大复杂，造价高；例如，美国的APS同步辐射光源，总共投资了4.6亿美元；而上海同步辐射光源，总共投资了12亿元人民币。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种生产同步辐射光的新方法，该方法克服了现有技术中关于“只有能量很高、飞行速度接近光速的‘相对论性’电子在电磁场中发生偏转才能产生同步辐射”的技术偏见，采用低能量电子注入法，并维持储存环中的电子在低能状态下运行，从而实现产生高辐射功率、高亮度的同步辐射光，达到简化设备、降低能耗以及设备生产、运行成本的目的，具有很高的经济效益和社会效益。

本发明采用的技术方案是：一种生产同步辐射光的方法，包括以下步骤：电子产生、电子加速、电子注入、电子存储环中偏转，其关键在于，不采用现有技术中的高能量电子注入法，而大幅度降低注入电子的能量，使加速器和储存环中的电子束能量保持在100MeV或以下，在不改变原有同步光源的电子储存环结构和操作条件下，生产出该光源原有波段和亮度的同步光；在改变储存环的偏转磁场强度的情况下，生产出不同波段的同步光。

本发明在不需要高能电子的条件下，依然能够实现同步辐射光的产生。

为能达到更好地节能效果，作为本发明的进一步说明，所述存储环中电子的能量保持在50MeV或以下。

以上本发明技术方案中所述的电子能量指“名义能量”，即加速电压与电子电量的乘积。

现有的同步辐射光源技术是以相对论力学为理论基础的，该理论认为，电子的动能等于加速电压与电子电量的乘积，而且只有“相对论性”（即能量很高，速度接近光速）的电子，才能产生同步辐射；低能量的电子是不能产生电磁辐射的，所以储存环中的电子能量都要求很高。但是，在上海东方电磁波研究所所长季灏关于“质疑爱因斯坦力学和传统加速器理论”的一个实验（见《中国科技成果》2009年第1期）中得知，高速运动的高能电子的实际能量也没有名义上那么高，大约在5MeV左右，因此，电子的动能并不等于加速电压与电子电量的乘积，即使把加速电子提高至800MV或者甚至更高，电子的能量也不会超过6MeV；而在其中另一个实验（见《中国工程科学》2006年第10期）中，季灏采用4～20MeV的电子垂直射入B(磁感应强度,下同)为0.1210T匀强磁场在中，电子的偏转半径为0.18m左右，结果是显而易见的不产生同步辐射，因为X光底片上没有射线的感光迹象。结合上述两个实验，本发明人研究发现，合肥同步辐射光源存储环的电子能量（800MeV）实际能量低于6MeV，与季灏实验所用的电子能量接近，之所以一个能产生而另一个不产生同步辐射光，其原因在于：在相同的半径下，合肥光源的B值大大高于季灏实验中的磁感应强度，经计算，若季灏实验中的电子偏转半径（0.18m）增加至与合肥同步辐射光源的电子储存环半径（2.222m）一致，则磁感应强度只有0.0098T，是合肥同步辐射光源B值（1.2T）的122倍，为方便起见，将此比值称它为“偏转磁场强度比”，简称“偏磁比”，用“K”表示，因此，足够大的K值是产生同步辐射的一个条件；其次，合肥光源使用的磁感应强度为1.2T，计算得出电子的偏转半径为0.0182m，而合肥光源使用的存储环半径为2.222m，这就好比把一个半径为0.0182m、弹性极好的橡皮圈套在一个半径为2.222m的铁圈上一样，这就意味着在该光源中，电子束不是沿环的中心线而是紧贴着环壁运动的，因而环壁（内表面）对电子的运动产生摩擦阻力，起到了“刹车”作用，便产生了韧致辐射，反观季灏实验中由于“无环”，必定不产生韧致辐射。

因此，高能电子并非是产生同步辐射的必要条件，同步辐射产生的真正原因，是强大的磁场迫使做圆周运动的电子紧贴环壁，发生激烈摩擦、产生韧致辐射的结果。只要偏磁比K的数值足够大，在存储环中做曲线运动的低能量电子也能产生高辐射能量、高亮度的同步辐射光。

K的计算公式如下：K=B*R/（B_j*R_j）。

式中，B为储存环偏转磁铁的磁感应强度，(T)；R为储存环半径，（m）；B_j为季灏实验中的磁感应强度，（T）；R_j为季灏实验中的电子偏转半径，（m）。例如，在上海同步辐射光源中，B=1.22T；R=9.55m，故：K=B*R/B_j*R_j=1.22*9.55/（0.1210*0.18）≈535。

作为本发明的进一步说明，所述存储环中的偏磁比K大于或等于50。

现有理论认为，同步辐射的强度与电子的能量的四次方成正比，与储存环的半径平方成反比，因此，电子的能量尽量提高；环的半径尽量缩小。所以，现有的大型同步辐射光源，储存环电子的能量一般在1GeV以上，环的半径在10m左右，而偏转磁铁的B值在1T以上。高的磁感应强度不但设备散热困难，而且浪费能源。按照本发明的理念，环的半径与偏转磁场强度之间成反比关系。所以，增加环的半径与增加偏转磁场强度起着相同的作用。本发明既可以在光源的现有偏转磁场强度下大幅度降低注入电子的能量，又可以通过增加环的半径来降低偏转磁铁的磁场强度，使同步光源的设计有更多的选择余地。

显然，以上的认识是不可以根据现有的理论和实验，通过简单的逻辑推理所能得出的，必须有理论上的创新才行。

本发明克服了现有技术偏见，提出了新的技术方案，新方案符合客观规律，具有很高的经济效益和社会效益，值得推广应用。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用低能量电子注入法，较现有同步辐射光源可降低成千上百倍的能耗，节能效果非常可观，同时大幅度降低了设备的运行费用。

2.采用本发明方法，不需要采用大型或复杂的电子加速器、增强器等设备，节省了设备投资。

3.本发明获得高辐射功率、高亮度的硬X射线非常简单，只要把偏转磁铁的磁场强度B值或者储存环半径加大即可，而采用提高电子能量的方法，如美国的APS同步辐射光源，需要提高至7GeV，在技术上有很大难度。

4.采用本发明，可以在一个光源中，同时输出不同波段的同步辐射，满足不同的用户需求，生产灵活。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，本实施例仅是对本发明作更清楚的说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：一种生产同步辐射光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至100MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子存储环中；（4）电子存储环中偏转：电子存储环中，K=1000，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步辐射光。

本发明方法产出的同步辐射光通过光束线引出后，经需求加工（如分光、准直、聚焦等）便可输送至用户进行研究或利用。

本发明采用低能量电子输入法，只需要电子加速器稍微加速至设定的能量即可，可直接使用现有的直线加速器，也可使用更为低能量的电子加速器，而现有同步辐射光源普遍使用的电子增强器可以完全拆除，从而简化了生产设备，大大降低了设备生产、运行成本；同时，能耗较现有技术低至成千上百倍，如与美国光源相比，能耗能够降低到原来的1.5%以下，节能效果显著，而产生的同步辐射光（如X射线波段、真空紫外波段等）的质量与波段保持不变。

实施例2：一种生产同步辐射光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至50MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子存储环中；（4）电子存储环中偏转：电子存储环中，K=800，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步辐射光。本实施例达到的有益效果与实施例1相同。

实施例3：一种生产同步辐射光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至20MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子存储环中；（4）电子存储环中偏转：电子存储环中，K=535，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步辐射光。本实施例达到的有益效果与实施例1相同。

实施例4：一种生产同步辐射光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至10MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子存储环中；（4）电子存储环中偏转：电子存储环中，K=100，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步辐射光。本实施例达到的有益效果与实施例1相同。

实施例5：一种生产同步辐射光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至2MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子存储环中；（4）电子存储环中偏转：电子存储环中，K=550，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步辐射光。本实施例达到的有益效果与实施例1相同。

实施例6：一种生产同步辐射光的方法，包括以下步骤：（1）电子产生：通过电子枪产生电子束，并注入电子加速器内；（2）电子加速：电子束在电子加速器内被加速至0.5MeV；（3）电子注入：加速后的电子束通过电子注入系统注入电子存储环中；（4）电子存储环中偏转：电子存储环中，K=800，电子束在偏转磁场的作用下沿环形轨道发生偏转，从而在沿着偏转轨道切线方向上实现发射出连续谱的同步辐射光。本实施例达到的有益效果与实施例1相同。

Claims

1.一种生产同步辐射光的方法，包括以下步骤：电子产生、电子加速、电子注入、电子存储环中偏转，其特征在于，采用低能量电子注入法，使存储环中的电子在低能状态下偏转；其中，所述存储环中电子的能量≤100MeV。

2.根据权利要求1所述生产同步辐射光的方法，其特征在于，所述存储环中电子的能量≤50MeV。

3.根据权利要求1或2任一所述生产同步辐射光的方法，其特征在于，所述存储环中的偏磁比K≥50。